모래서도 안정적 보행 가능한 로봇 제어 기술 개발

"로봇이 극복할 수 있는 지형 범위 확장 기대"

개발한 로봇 제어기가 다양한 지반 환경에 적응하는 모습. 사진=KAIST 제공

한국과학기술원(KAIST)은 황보제민 기계공학과 교수 연구팀이 모래와 같이 변형하는 지형에서도 민첩하고 견고하게 보행할 수 있는 사족 로봇 제어 기술을 개발했다고 26일 밝혔다.

연구팀은 모래와 같은 입상 물질로 이뤄진 지반에서 로봇 보행체가 받는 힘을 모델링하고, 이를 사족 로봇에 시뮬레이션하는 기술을 개발했다. 이어 사전 정보 없이 다양한 지반 종류에 스스로 적응해 보행하기에 적합한 인공신경망 구조를 도입해 강화학습에 적용했다.

강화학습은 임의 상황에서 여러 행동이 초래하는 결과들의 데이터를 수집하고 이를 사용해 임무를 수행하는 기계를 만드는 학습 방법이다.

학습한 시뮬레이션 환경과 실제 마주친 환경이 다른 경우 학습 기반 제어기의 성능은 급격히 감소한다. 이 때문에 데이터 수집 단계에서 실제와 유사한 환경을 구현하는 것이 중요하다.

연구팀은 보행체의 운동 역학으로부터 접촉에서 발생하는 힘을 예측하는 접촉 모델을 개발했다. 이어 시간 단계마다 하나 혹은 여러 개의 접촉에서 발생하는 힘을 풀이함으로써 효율적으로 변형하는 지형을 시뮬레이션했다.

또 로봇의 센서에서 나오는 시계열 데이터를 분석하는 순환 신경망을 사용함으로써 암시적으로 지반 특성을 예측하는 인공신경망 구조를 도입했다.

학습이 완료된 제어기는 연구팀이 직접 제작한 로봇 '라이보'에 탑재돼 로봇의 발이 완전히 모래에 잠기는 해변 모래사장에서 최대 3.03 m/s의 고속 보행을 선보였다.

특히 추가 작업 없이 풀밭, 육상 트랙, 단단한 땅에 적용됐을 때도 지반 특성에 적응해 안정하게 주행할 수 있었고, 에어 매트리스에서 초당 약 90도의 회전을 안정적으로 수행한 것은 물론 갑작스럽게 지형이 부드러워지는 환경도 극복했다고 연구팀은 전했다.

연구팀은 이번에 개발한 시뮬레이션과 학습 방법론이 다양한 보행 로봇이 극복할 수 있는 지형의 범위를 넓힘으로써 로봇이 실제적 임무를 수행하는 데에 기여할 수 있을 것이라고 설명했다.